專利名稱：光通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)利用光纖能發(fā)送接收光信號(hào)的光通信系統(tǒng)，更具體為有關(guān)將塑料光纖作為傳送媒體能夠應(yīng)用于家庭內(nèi)部通信、電子設(shè)備間通信或LAN(局域網(wǎng)Local Area Network)等的光通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
采用光纖的光通信系統(tǒng)在利用光纖構(gòu)成的信號(hào)傳送線路的一端有發(fā)送系統(tǒng)，而另一端有接收系統(tǒng)。發(fā)送系統(tǒng)例如有發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器等光源(發(fā)光元件)，控制該發(fā)光源，并使發(fā)出的信號(hào)光射入光纖。另一方面，接收系統(tǒng)有光電二極管等感光元件，該感光元件接受自光纖射出的信號(hào)光，并變換成電信號(hào)。
這種光通信系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于信號(hào)光的傳送效率。而進(jìn)一步，該傳送效率主要取決于光纖自身的傳送效率、從發(fā)光源到光纖的耦合效率、及從光纖到感光元件的耦合效率。
現(xiàn)有的光通信系統(tǒng)中的接收系統(tǒng)大致可分為以下兩種，一種是直接用感光元件接收光纖來的射出光的系統(tǒng)，另一種是通過配置在光纖和感光元件之間的透鏡等光學(xué)系統(tǒng)聚焦而感光的系統(tǒng)。
這種光纖和感光元件間的光學(xué)耦合方法廣泛用于芯徑微米級粗細(xì)的石英纖維。但是在芯徑為毫米級的塑料光纖的情況下，就有問題產(chǎn)生。雖然塑料光纖是一種近幾年在家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等受人們關(guān)注的光纖，但存在的問題是，塑料光纖的光纖直徑為0.5～2mm，較粗，雖然連接方便，但反過來由于口徑大，因此與接收器耦合的效率低。由于通常光纖通信使用的感光元件的感光直徑為數(shù)百μm-百μm，故若是芯徑小的光纖則無問題，但例如在口徑1mm的塑料光纖的場合，即使使用透鏡等，仍難以聚焦于比光源尺寸小的尺寸上。特別是傳送速度越高，由于電容的關(guān)系就越必須要減小感光直徑，所以耦合效率即接收效率越降低。
作為一種解決上述問題的方法，所知的有具有如圖25所示的光纖和感光元件間耦合結(jié)構(gòu)的光通信系統(tǒng)。該光通信系統(tǒng)中，使具有用高反射特性的反射面103包圍著的引導(dǎo)光路102的該導(dǎo)光體101介于光纖104和感光元件105之間，用該導(dǎo)光體101將光纖104射出的信號(hào)光一直引導(dǎo)給感光元件105。這樣，完成光纖104和感光元件105間高效的光耦合，即使是來自塑料光纖等芯徑大的光纖的射出光，仍能使其高效地聚焦于口徑小的光電二極管上(參照特開平10-221573號(hào)公報(bào)的段落序號(hào)0008等、圖1、圖3)。
在圖25所示的結(jié)構(gòu)中，從光纖射出的光的數(shù)值孔徑(NA)在變化，尤其在變大時(shí)，如圖26所示，在光纖104一側(cè)射出光106容易返回，相反存在耦合效率低的缺點(diǎn)。另外，這種結(jié)構(gòu)的孔的深度相對口徑的深寬比大，在制造上存在難以均勻地蒸鍍反射膜等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的在于提供一種能以簡潔的構(gòu)成高效地進(jìn)行塑料光纖那樣直徑大的光纖和直徑小的感光元件間光學(xué)耦合的光通信系統(tǒng)。
本申請的一個(gè)方面的光通信系統(tǒng)包括至少在一端有球形端面、并從該球形端面射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑小于等于0.35的光纖；及以及具有感覺元件、并接收來自所述光纖球形端面的發(fā)射光的光通信模塊。而且，所述光纖的所述一端插入所述光通信模塊內(nèi)規(guī)定的部位時(shí)，所述感光元件的感光面位于距所述光纖的球形端面頂點(diǎn)的距離為d的位置，設(shè)光纖的直徑為D、球形端面曲率半徑R為r*D、纖芯的折射率為n、在所述光纖的球形端面和感光元件間存在的物質(zhì)的折射率為n1，則所述距離d為，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d≤r*D/(n-n1)的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，在D≤d≤r*D/(n-n1)的范圍內(nèi)。
還有，所謂‘光纖直徑’系指芯徑。但在SI型塑料光纖的情況下，由于包層與整個(gè)直徑只差2％，所以光纖直徑和包層直徑近似相等。
設(shè)光纖的端面為球形端面，配置感光元件，使得距離d在該范圍內(nèi)，通過這樣和光纖的端面是平面時(shí)相比，接收耦合效率最高能提高到兩倍以上。
之所以將光纖端面加工成球形，是可以考慮到采用和在平坦的端面上安裝具有向光纖來的光射出方向凸出的凸面的平凸透鏡的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。用r*D/(n-n1)即R/(n-n1)求得的值是曲率半徑為R、折射率為n的平凸透鏡在充填折射率n1的物質(zhì)的空間中的焦距f。
圖3A-3C為概要表示芯線是PMMA公司生產(chǎn)的(折射率≈1.5)的塑料光纖/在空氣中(n1＝1)進(jìn)行仿真時(shí)來自光纖的射出光L的擴(kuò)展(遠(yuǎn)場圖Far FieldPatternFFP)和對光纖端面進(jìn)行加工后設(shè)置的球形端面11的曲率半徑R(＝r*D)的關(guān)系的示意圖。
如按照和光纖軸向垂直的面切割多模光纖特別是SI(階躍)型多模光纖，該近場圖(Near Field Pattern)則能得到強(qiáng)度均勻的面光源。另外，將該強(qiáng)度均勻的面光源細(xì)分為各點(diǎn)，則來自各點(diǎn)的射出光的取向分布為高斯分布。
從圖3A-3C可知，射出光聚焦的位置因光纖球形端面的曲率半徑而異。圖3A表示球形端面的曲率半徑R為光纖直徑D的2倍即R＝2*D時(shí)，聚焦位置位于距球形端面頂點(diǎn)4D的位置，圖3B表示球形端面的曲率半徑R為光纖直徑D的1.5倍即R＝1.5*D時(shí)，聚焦位置位于距球形端面頂點(diǎn)3D的位置，圖3C表示球形端面的曲率半徑R和光纖的直徑相同即R＝D時(shí)，聚焦位置位于距球形端面頂點(diǎn)2D的位置。
平凸透鏡在空氣中的焦距f根據(jù)上述可以用f＝R/(n-1)表示，圖3A-3C示出的仿真結(jié)果和平凸透鏡的折射率為1.5時(shí)在空氣中的焦距f近似一致。
即，本申請?jiān)趤碜怨饫w的射出光的數(shù)值孔徑(NA)小于等于0.35即較小時(shí)，將感光元件的感光面置于所述焦距f內(nèi)。但在感光元件的直徑比光纖的直徑D還要大時(shí)，由于根據(jù)申請人所進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在距離d超過D以前，只能得到和端面平的光纖同等的耦合效率，所以距離d比D要大。因而，由于從光纖一端面射出的發(fā)射光利用平凸透鏡效應(yīng)聚焦后再擴(kuò)展之前射入感光元件，故與光纖端面是平面的情形相比，將提高與感光元件的耦合效率。又因不使用現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)光體，所以光通信模塊的制造也容易。
射出光的NA為0.35的光纖主要用在傳輸速率200～622Mbps的高速傳輸。通常，感光元件的直徑隨著傳輸速度越高，根據(jù)電容的關(guān)系要做得越小。另外傳輸速度越高，使用的光纖結(jié)構(gòu)NA越小。隨之，從光纖射出的光的NA也變小。本申請?jiān)谑褂酶泄庠睆叫?、而且光纖的NA也小的塑料光纖時(shí)，即在使用塑料光纖的數(shù)百M(fèi)bps的高速傳輸時(shí)特別有效。
在本申請的所述光通信系統(tǒng)中，所述通信模塊除了感光元件外，還可以有將所述光纖球形端面來的發(fā)射光引至所述感光元件的接收光學(xué)系統(tǒng)。這時(shí)，不僅感光元件的感光面，而且接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置也將如下述那樣，根據(jù)接收光學(xué)系統(tǒng)的大小，相對應(yīng)地配置在距所述光纖球形端面的距離d的位置上。即接收光學(xué)系統(tǒng)這樣配置，使得從所述光纖球形端面至接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置的距離d為，在接收光學(xué)系統(tǒng)大小小于等于D時(shí)，在0＜d≤r*D/(n-n1)，在接收光學(xué)系統(tǒng)大小比D大時(shí)，在D≤d≤r*D/(n-n1)。
作為接收光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)例子，例如有利用折射率不同于空氣的物質(zhì)做成的棱鏡及透鏡等使光折射的構(gòu)件、及反射鏡等使光反射的構(gòu)件形成的接收光學(xué)系統(tǒng)。在感光元件上形成折射率不同于空氣的透明模鑄構(gòu)件等時(shí)，在本申請中也將該模鑄構(gòu)件作為接收光學(xué)系統(tǒng)處理。
這里，所謂‘接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置’是指來自光纖的主光線射入接收光學(xué)系統(tǒng)的入射一側(cè)的主點(diǎn)。
另外，所謂‘接收光學(xué)系統(tǒng)的大小’，在圓形時(shí)(例如聚焦透鏡)是指光學(xué)上將光聚焦部分的直徑，非圓時(shí)(例如棱鏡)是指光學(xué)上將光聚焦部分的代表性的尺寸。
根據(jù)各種仿真結(jié)果，上述距離d最好為，感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d≤2D的范圍內(nèi)，感光元件直徑比D大時(shí)，在D≤d≤2D的范圍內(nèi)。
另外，本申請?jiān)谒龈泄庠睆?在設(shè)置接收光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，接收光學(xué)系統(tǒng)的大小)小于等于光纖直徑D時(shí)更有效。這是因?yàn)椋c感光元件直徑(在設(shè)置接收光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，接收光學(xué)系統(tǒng)的大小)大于光纖直徑D時(shí)相比、及與端面為平面的光纖相比，耦合效率提高的效果明顯。
另外，本申請的其它方面的光通信系統(tǒng)包括至少在一端有球形端面、并從該球形端面射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑為0.4～0.6的光纖；以及具有感光元件、并接收所述光纖球形端面來的發(fā)射光的光通信模塊。而且，所述光纖的所述一端插入所述光通信模塊內(nèi)規(guī)定的部位時(shí)，所述感光元件位于距所述光纖球形端面頂點(diǎn)的距離為d的位置，設(shè)光纖的直徑為D時(shí)，則所述距離d為，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d＜2D的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，在0.5D＜d＜2D的范圍內(nèi)。
0.4～0.6范圍內(nèi)的射出光的數(shù)值孔徑、尤其是0.5的數(shù)值孔徑適用于傳輸速率為20～100Mbps的中速傳輸。
在該光通信系統(tǒng)中，所述通信模塊除感光元件外，還可以有將所述光纖球形端面來的發(fā)射光引至所述感光元件的接收光學(xué)系統(tǒng)。這時(shí)，不僅感光元件的感光面，而且接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置也將如下述那樣，根據(jù)接收光學(xué)系統(tǒng)的大小，相對應(yīng)地配置在距所述光纖球形端面的距離d的位置上。即接收光學(xué)系統(tǒng)這樣配置，使得從所述光纖球形端面至接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置的距離d為，在接收光學(xué)系統(tǒng)的大小小于等于D時(shí)，在0＜d＜2D的范圍內(nèi)，接收光學(xué)系統(tǒng)的大小大于D時(shí)，在0.5D＜d＜2D的范圍內(nèi)。
在通過設(shè)光纖端面為球形端面，配置接收光學(xué)系統(tǒng)，使得距離d在該范圍內(nèi)，從而與光纖端面為平面時(shí)相比，接收耦合效率最高，可提高至1.7倍左右。
這里所說的‘接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置’及‘接收光學(xué)系統(tǒng)的大小’的定義如上所述。
根據(jù)本申請者進(jìn)行各種仿真結(jié)果，上述距離d最好為，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d≤1.5D的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，在D≤d＜1.5D的范圍內(nèi)。
另外，最好和數(shù)值孔徑小于等于0.35時(shí)一樣，所述感光元件直徑(設(shè)置接收光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，接收光學(xué)系統(tǒng)的大小)可小于等于光纖直徑D。感光元件直徑(設(shè)置接收光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，接收光學(xué)系統(tǒng)的大小)與大于光纖直徑D時(shí)相比、及與端面為平面的光纖相比，耦合效率提高的效果明顯。因此，如利用本申請，能對較小的感光元件配置易聚焦的小型接收光學(xué)系統(tǒng)。這時(shí)，本申請?jiān)趩涡倦p向通信上更能發(fā)揮效果。
在一種實(shí)施形態(tài)中，所述各光通信模塊還具有發(fā)光元件和發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)中至少一種發(fā)光元件，通過所述光纖按照單芯雙向通信方式能和對方的光通信模塊間收發(fā)信號(hào)光。由于能將感光元件或接收光學(xué)系統(tǒng)做小，故能和發(fā)送系統(tǒng)并列配置，從這一角度看是相當(dāng)有效的。
如上所述，在用塑料光纖時(shí)，一般光纖直徑為0.5～2mm，但考慮到使用、連接方便及制止模式分散，常用直徑1mm的光纖。另外，一般塑料光纖用于高速通信的傳輸速率為100Mbps～622Mbps，與此對應(yīng)的光電二極管的直徑(以后稱為PD直徑)為小于等于0.5mm，更具體為0.3～0.5mm。
另一實(shí)施形態(tài)中，在所述任一通信系統(tǒng)中，將直徑D為1mm的光纖和直徑小于等于0.5mm(例如0.3～0.5mm)的與高速通信對應(yīng)的小型光電二極管組合使用。這樣尺寸的光纖與感光元件組合在一起，通過應(yīng)用本申請，從而能比端面平的光纖大幅度地提高接收效率，所以相當(dāng)有效。
另外，在設(shè)置接收光學(xué)系統(tǒng)的情況下，使用直徑D為1mm的光纖時(shí)，基于和剛說過的相同原因，最好取接收光學(xué)系統(tǒng)大小為小于等于0.5mm。


圖1為概要表示本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的光通信系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖2為概要表示本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的光通信系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖3A、3B、3C為說明本發(fā)明的原理用圖。
圖4為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為0.5D、光纖射出NA為0.35時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖5為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，感光元件直徑為D、光纖射出NA為0.35時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖6為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為1.5D、光纖射出NA為0.35時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖7為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為0.5D、光纖射出NA為0.5時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖8為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為D、光纖射出NA為0.5時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖9為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為1.5D、光纖射出NA為0.5時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖10為將光纖(射出NA＝0.35)有球形端面時(shí)和有平端面時(shí)的圖4的曲線圖中示出的接收耦合效率比較結(jié)果分成三類的匯總表。
圖11為將光纖(射出NA＝0.35)有球形端面時(shí)和有平端面時(shí)的圖5的曲線圖中示出的接收耦合效率比較結(jié)果分成三類的匯總表。
圖12為將光纖(射出NA＝0.35)有球形端面時(shí)和有平端面時(shí)的圖6的曲線圖中示出的接收耦合效率比較結(jié)果分成三類的匯總表。
圖13為將光纖(射出NA＝0.5)有球形端面時(shí)和有平端面時(shí)的圖7的曲線圖中示出的接收耦合效率比較結(jié)果分成三類的匯總表。
圖14為將光纖(射出NA＝0.5)有球形端面時(shí)和有平端面時(shí)的圖8的曲線圖中示出的接收耦合效率比較結(jié)果分成三類的匯總表。
圖15為將光纖(射出NA＝0.5)有球形端面時(shí)和有平端面時(shí)的圖9的曲線圖中示出的接收耦合效率比較結(jié)果分成三類的匯總表。
圖16為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為0.5D、光纖射出NA為0.35時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖17為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，是感光元件直徑為0.5D、光纖射出NA為0.5時(shí)采用球形端面光纖時(shí)的接收耦合效率和使用平端面光纖時(shí)比較后的曲線圖。
圖18為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，為表示接收耦合效率取決于PD直徑的關(guān)系用的曲線圖。
圖19為表示本發(fā)明的效果用的曲線圖，表示接收耦合效率實(shí)測值和用仿真求得的值之間的比較。
圖20為概要地表示本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的單芯雙向通信方式的光通信系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖21為將圖20的光通信系統(tǒng)的一部分(光纖端面附近)局部放大表示的示意圖。
圖22為表示單芯雙向通信方式的光通信系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和位置、與接收/發(fā)送光的光纖端面/接收光學(xué)系統(tǒng)耦合的關(guān)系用的說明圖。
圖23為表示單芯雙向通信方式的光通信系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和位置、與接收/發(fā)送光的光纖端面/接收光學(xué)系統(tǒng)耦合的關(guān)系用的說明圖。
圖24為表示單芯雙向通信方式的光通信系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和位置、與接收/發(fā)送光的光纖端面/接收光學(xué)系統(tǒng)耦合的關(guān)系用的說明圖。
圖25為現(xiàn)有技術(shù)的說明圖。
圖26為說明圖25所示現(xiàn)有技術(shù)之問題用的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下，利用圖中示出的實(shí)施形態(tài)詳細(xì)地說明本發(fā)明。
(實(shí)施形態(tài)1)
圖1概要表示作為本發(fā)明光通信系統(tǒng)一實(shí)施形態(tài)的進(jìn)行單向通信的光通信系統(tǒng)一個(gè)示例。該光通信系統(tǒng)包括光纖1、及通過該光纖1進(jìn)行信號(hào)光收發(fā)的一對光通信模塊2A、2B。光通信模塊2B具有由半導(dǎo)體激光器件(LD)或發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成的發(fā)光元件22，起到作為發(fā)送模塊的作用，另一方面，光通信模塊2A具有由光電二極管(PD)組成的感光元件21，起到作為接收模塊的作用。為作圖方便，感光、發(fā)光元件的保持部分等與發(fā)明無直接關(guān)系的部分從圖1中便省略。
光纖1的芯線為PMMA公司生產(chǎn)(折射率約1.5)的塑料光纖，兩端面形成分別有曲率半徑R的球形端面11。但是也可以只將接收側(cè)的端面做成球形端面11。另外，光纖1也可用PMMA以外的塑料材料構(gòu)成。光纖的球形端面11可利用熔融或研磨做成。
光纖1的端部插入光通信模塊2A內(nèi)，在設(shè)置在規(guī)定位置時(shí)，感光元件21的感光面位于只離開光纖1的球形端面11頂點(diǎn)的距離d的位置。該距離d為根據(jù)從光纖1的球形端面11射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑(以后也稱‘射出NA’)和感光元件即光電二極管21的直徑(以后也稱‘PD直徑’)相應(yīng)設(shè)定的值。
具體為，按照高速傳輸即200～622Mbps的傳輸速率所使用光纖1的射出NA小于等于0.35時(shí)，距離d設(shè)定成，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d≤r*D/(n-n1)……(1)的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，在D≤d≤r*D/(n-n1)……(2)的范圍內(nèi)。式中D為光纖1的直徑(芯徑)、r*D為用D表示球形端面11的曲率半徑R、n為光纖1的芯線的折射率，而n1表示存在于光纖1的球形端面11和感光元件21間的物質(zhì)的折射率。本實(shí)施形態(tài)時(shí)，存在于光纖1的球形端面11和感光元件21間的物質(zhì)是空氣。因此，n1為1。另外，光纖1的芯線材料為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，其折射率約為1.5(這里作為1.5計(jì)算)。
因而，上述關(guān)系式(1)、(2)分別為0＜d≤2r*D……(1’)D≤d≤2r*D……(2’)式(1’)表示感光元件21的感光面不與光纖1的球形端面11接觸，而且離開光纖1的球形端面11沒有超過相當(dāng)于球形端面11的曲率半徑兩倍的距離。式(2’)表示感光元件21的感光面離開光纖1球形端面11只是大于等于相當(dāng)于光纖1直徑的距離，但離開光纖1的球形端面11沒有超過相當(dāng)于球形端面11的曲率半徑兩倍的距離。
另外，在按照中速傳輸即100～200Mbps左右的傳輸速率所使用光纖1的射出NA為0.5附近(即0.4～0.6)時(shí)，距離d設(shè)定成，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d＜2D……(3)的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，設(shè)定成在0.5D＜d＜2D……(4)的范圍內(nèi)。
圖4～6為在具有圖1構(gòu)成的光通信系統(tǒng)中、將光纖1的射出NA為0.35時(shí)的接收耦合效率取決于端面-接收器間距離的關(guān)系和平端面光纖時(shí)比較的曲線圖。各種參數(shù)用光纖直徑D表示。更具體為，曲線圖的縱軸示出的接收耦合效率為光纖射出端面為平面時(shí)按照1/e2(≈0.135)的強(qiáng)度從規(guī)定的光纖來的射出光的數(shù)值孔徑為0.35、按照200～500Mbps的傳輸速率用半導(dǎo)體激光器件(LD)作光源、并使用低NA的高速通信等級的塑料光纖(芯線的折射率n＝1.5)作為傳輸媒體時(shí)的接收耦合效率，以和光纖端面為平面時(shí)的耦合效率之比的形式來表示(即耦合效率1為光纖端面是平面時(shí)的耦合效率)。橫軸以和光纖直徑D之比的形式表示端面-接收器間距離。另外，參數(shù)即端面曲率半徑R及PD直徑可用光纖直徑D表示。圖4表示PD直徑為0.5D時(shí)、圖5表示PD直徑為1D時(shí)、圖6表示PD直徑為1.5D時(shí)的情形。另外，◆、■、▲分別表示端面曲率半徑R為2D、1.5D、D的情形。還有，所謂‘接收器’這里是指光電二極管21。
另外，圖10-11是將圖4-6的曲線所示的有關(guān)接收耦合效率的效果分成三類來表示?！鸨硎窘邮振詈闲时绕蕉嗣婀饫w為大于等于1.01倍。△表示接收耦合效率比平端面光纖為0.99～1.01倍。×表示接收耦合效率比平端面光纖為小于等于0.99倍。
根據(jù)上述附圖可知，在與按照圖3A-3C示出的球形端面曲率半徑R(＝r*D)所決定的焦點(diǎn)位置(這時(shí)，由于n＝1.5、n1＝1，故變成f＝r*D/0.5＝2r*D)相當(dāng)?shù)奈恢们?，相比光纖端面是平端面時(shí)，接收效率提高。但該效果對于PD直徑更小時(shí)更有效。而且還知道，PD直徑為0.5D時(shí)，端面曲率半徑R越小，接收效率可越高?？傊?，PD直徑小于等于光纖直徑D時(shí)，基本上從光纖端面的位置開始至與所述焦點(diǎn)位置相當(dāng)?shù)奈恢脼橹梗刑岣呓邮招实男Ч?br> 另外可知，PD直徑比光纖直徑D大時(shí)，基本上從光纖端面開始僅離開1D的位置起至與按照球形端面曲率半徑R(＝r*D)所決定的焦點(diǎn)位置相當(dāng)?shù)奈恢茫刑岣呓邮招实男Ч?br> 圖7～9為光纖射出端面為平面時(shí)按照1/e2的強(qiáng)度規(guī)定的光纖射出NA相當(dāng)于0.5時(shí)的與圖4～6同樣的曲線圖。但這時(shí)，按100～200Mbps的傳輸速率使用LED作光源(發(fā)光元件)，使用NA為0.5附近的通信等級的塑料光纖(芯線折射率n＝1.5)作傳輸媒體。圖7表示PD直徑為0.5D時(shí)、圖8表示PD直徑為1D時(shí)、圖9表示PD直徑為1.5D時(shí)的情形。
另外，圖13～15為將有關(guān)圖7～9的曲線圖所示的接收耦合效率的效果分成三類來表示。和圖10～12一樣，○表示接收耦合效率比平端面光纖為大于等于1.01倍?！鞅硎窘邮振詈闲时绕蕉嗣婀饫w為0.99～1.01倍?！帘硎窘邮振詈闲时绕蕉嗣婀饫w為小于等于0.99倍。
從圖7～9及圖13～15可知，這時(shí)接收效率提高的效果比按照1/e2的強(qiáng)度從規(guī)定的光纖來的射出光的NA為0.35時(shí)要小，但在PD直徑比光纖直徑D小時(shí)，自光纖端面附近至2D的位置對于光纖端面是平面時(shí)，接收效率提高。而且可知，這時(shí)也同樣，PD直徑比光纖直徑D小時(shí)，端面的曲率半徑R越小，接收效率越高。(但在距離d小于1D的地方)。另外可知，PD直徑比光纖直徑D大時(shí)，也在從光纖端面的D附近至2D的位置為止的范圍內(nèi)，程度雖小但仍的有接收效率提高的效果。
圖16和圖17是感光元件21的直徑為0.5D的情況下光纖射出端面為平坦面時(shí)按照1/e2的強(qiáng)度從規(guī)定的光纖來的射出NA分別相當(dāng)于0.35和0.5時(shí)、將改變光纖球形端面11的曲率半徑R時(shí)接收耦合效率取決于距離的關(guān)系與光纖端面是平面時(shí)進(jìn)行比較后的曲線圖。從這些圖可知，在光纖端面是球形端面時(shí)，與光纖端面是平面時(shí)相比，在用上述式(1)、(3)定義的距離范圍內(nèi)可增大接收效率(耦合效率)。其中可知，球形端面11的曲率半徑R為D、距離d為0.5D附近時(shí)，光纖來的射出光的NA無論是0.35、還是0.5，光纖耦合效率都比平端面要大幅提高。另外，可以這樣說，距離d在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，對于相同距離d，端面曲率半徑R越小，即曲率越大，耦合效率越高。
圖18為在光纖射出端面是平面時(shí)按照1/e2的強(qiáng)度從規(guī)定的光纖來的射出NA相當(dāng)于0.35時(shí)、將距離d作為參數(shù)畫出接收效率取決于感光元件直徑(PD直徑)的關(guān)系的曲線圖。從圖18可知，PD直徑越小，特別是PD直徑比光纖直徑1D小時(shí)，越有效。而且還知道，PD直徑比光纖直徑1D小時(shí)，尤其是小于等于近似0.9D時(shí)，距離d為1D與1.5D相比，則能得到較高的接收效率。PD直徑比光纖直徑D小時(shí)，可以說距離d設(shè)定成1D以下的值更有效。
圖19為在光纖射出端面是平面時(shí)按照1/e2的強(qiáng)度從規(guī)定的光纖來的射出NA相當(dāng)于0.35、光纖直徑為1mm、光纖球形端面11曲率半徑R為1.5mm、PD直徑為1mm時(shí)計(jì)算值和實(shí)測值進(jìn)行比較的曲線圖。兩者近似一致，表示了相同的傾向?？梢源_認(rèn)，橫軸示出的端面-接收器間距離(即距離d)在0～3mm的范圍內(nèi)得到超過30％的耦合效率，距離d越變短，感光元件21越接近光纖端面11，則耦合效率越接近100％。
如上所述，使用塑料光纖時(shí)，通常光纖直徑為0.5～2mm，但是考慮到使用方便即連接方便、及制止模式分散，一般纖徑使用1mm的。另外，塑料光纖能使用的高速通信傳輸速率為100～622Mbps，適合于該傳輸速率的PD直徑為0.3～0.5mm。該光纖直徑和PD直徑組合在一起，和本發(fā)明的效果最能表現(xiàn)出的范圍幾乎一致。
(實(shí)施形態(tài)2)圖2為本發(fā)明的光通信系統(tǒng)實(shí)施形態(tài)2的概要構(gòu)成圖。該實(shí)施形態(tài)2在各通信模塊2A、2B中設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)，這點(diǎn)不同于實(shí)施形態(tài)1。在圖2中，和圖1示出的構(gòu)成部分同樣的構(gòu)成部件上標(biāo)注和圖1用過的參考標(biāo)號(hào)相同的標(biāo)號(hào)。圖2中，參考標(biāo)號(hào)25、26分別為接收光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)。接收光學(xué)系統(tǒng)25配置在感光元件21和光纖1的球形端面11之間，起到將來自球形端面11的發(fā)射光引至感光元件21的作用。另外，發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)26起到將發(fā)光元件22射出的光引至光纖11的端面的作用。在上述接收光學(xué)系統(tǒng)25及發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)26中，例如包括用折射率和空氣不同的物質(zhì)形成的棱鏡及透鏡等使光折射的構(gòu)件、及反射鏡等使光反射的構(gòu)件。還有，本申請中，在感光元件21上形成折射率和空氣不同的透明模鑄構(gòu)件(圖中未示出)時(shí)，該模鑄構(gòu)件也視作接收光學(xué)系統(tǒng)25的構(gòu)成要素。
這樣的發(fā)送、接收光學(xué)系統(tǒng)對于從事這項(xiàng)工作的人士來說是相當(dāng)熟悉的，所以具體構(gòu)成不再在此詳述。作為接收光學(xué)系統(tǒng)25，也可以用透明模鑄構(gòu)件透鏡部分一體形成。
關(guān)于所述實(shí)施形態(tài)1中感光元件21和光纖1的球形端面11間成立的關(guān)系式(1)～(4)，在實(shí)施形態(tài)2中，在接收光學(xué)系統(tǒng)25和光纖1的球形端面11間也成立。即在實(shí)施形態(tài)1中，將光纖1的球形端面11的頂點(diǎn)至感光元件21的感光面的距離作為d，用式(1)～(4)來規(guī)定，但該實(shí)施形態(tài)2中，將從光纖1的球形端面11的頂點(diǎn)至接收光學(xué)系統(tǒng)25的中心位置的距離作為d，用式(1)～(4)來規(guī)定。另外，實(shí)施形態(tài)1中，根據(jù)從光纖1的球形端面11射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑(NA)、和感光元件21的直徑(PD直徑)，相應(yīng)使用式(1)～(4)中任一個(gè)。該實(shí)施形態(tài)2中，根據(jù)接收光學(xué)系統(tǒng)25的大小代替感光元件21的直徑相應(yīng)使用式(1)～(4)。
還有，所謂‘接收光學(xué)系統(tǒng)25的中心位置’，如上所述為光纖1來的主光線入射接收光學(xué)系統(tǒng)25的入射側(cè)的主點(diǎn)。另外，‘接收光學(xué)系統(tǒng)的大小’在聚焦透鏡那樣圓形的情況下，是光學(xué)上聚焦的部分的直徑，在非圓形時(shí)，為光學(xué)上聚焦的部分的代表性的尺寸。例如，作為不是圓形的光學(xué)系統(tǒng)有橢圓反射鏡，這時(shí)，將與橢圓反射鏡入射一側(cè)主點(diǎn)上的光軸垂直的截面的平均尺寸作為該光學(xué)系統(tǒng)的大小。
在實(shí)施形態(tài)2的情況下，也能獲得和實(shí)施形態(tài)1同樣的接收效率提高的效果。根據(jù)本發(fā)明，能配置容易將光聚焦在較小感光元件上的小型的接收光學(xué)系統(tǒng)。
實(shí)施形態(tài)3圖20為本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3即采用單芯雙向光通信方式的光通信系統(tǒng)概要構(gòu)成圖。圖21為將圖20的一部分放大表示的示意圖。圖20中，和圖1、2示出的構(gòu)成部分相同的構(gòu)成部分上標(biāo)注和圖1、2用過的參考標(biāo)號(hào)相同的標(biāo)號(hào)，其詳細(xì)說明省略。
實(shí)施形態(tài)1、2的光通信系統(tǒng)采用單向通信方式，一起工作的兩個(gè)光通信模塊2A、2B只安裝感光元件或發(fā)光元件的某一個(gè)，相反和光纖1一起構(gòu)成實(shí)施形態(tài)3的光通信系統(tǒng)的兩個(gè)光通信模塊2A、2B都具有發(fā)光元件22和感光元件21，起到作為接收發(fā)送模塊的作用。光通信模塊2A、2B還具有接收光學(xué)系統(tǒng)25和發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)26。感光發(fā)光元件21、22及接收發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)25、26根據(jù)從光纖端面11來的射出光的NA和接收光學(xué)系統(tǒng)25的大小進(jìn)行配置，使得接收光學(xué)系統(tǒng)25的中心位置滿足上述的式(1)～(4)中的任一個(gè)。
雖然也可以不用光學(xué)系統(tǒng)25、26，而使感光發(fā)光元件21、22與光纖端面直接對向，但由于感光發(fā)光元件21、22自身的占有面積若再包含其保持部，則對于光纖端面11是相當(dāng)大的部分，所以，分別進(jìn)行接收和發(fā)送時(shí)，那樣的配置雖然不是不可能，但不能說是很現(xiàn)實(shí)的。
因而，通常用一根光纖進(jìn)行接收和發(fā)送時(shí)，在較小的光纖端面部為了有效地劃分接收光和發(fā)射光，在光纖端面和感光發(fā)光元件之間設(shè)置變換通向感光發(fā)光元件的光路用的光學(xué)系統(tǒng)。接收發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)要與較小的光纖端面對應(yīng)，要是小型的。但接收光學(xué)系統(tǒng)過小，又不采取任何措置時(shí)，接收光的損耗增大。如圖22所示，接收光15的一半被發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)26反射掉。另一方面，如圖23所示，接收光學(xué)系統(tǒng)25一增大，則發(fā)送光16有時(shí)不與光纖端面11耦合。如圖24所示，從光纖端面11開始取較大距離配置接收發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，即使使用較大的接收光學(xué)系統(tǒng)25，但只要發(fā)送光16的NA減小，則能使用一根光纖接收發(fā)送。但存在的問題是，接收光15一擴(kuò)展，就難以與高速通信對應(yīng)的小的PD(感光元件)21耦合。
但本實(shí)施形態(tài)中，如在實(shí)施形態(tài)2說明過的那樣，由于根據(jù)光纖端面11的射出光的NA和接收光學(xué)系統(tǒng)25的大小，將接收光學(xué)系統(tǒng)25配置在滿足上述式(1)至(4)中任何一個(gè)的位置上，所以，由發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)26反射掉的部分是沒法避免的，但是接收光學(xué)系統(tǒng)25即使小型化，仍能高效地感光，能將接收光15引導(dǎo)到感光元件21即光電二極管。
以上，利用三個(gè)實(shí)施形態(tài)對本發(fā)明進(jìn)行了說明，在權(quán)利要求范圍內(nèi)所述的構(gòu)成以外的構(gòu)成也包括材料在內(nèi)，不限于上述實(shí)施形態(tài)所述的內(nèi)容，當(dāng)然可以做適當(dāng)?shù)淖兏蜃芳印?br> 從上述可知，采用本發(fā)明，即使使用直徑大的塑料光纖作傳輸媒體，將感光元件作為與高速通信對應(yīng)的小型感光元件，也能用簡單的構(gòu)成得到相當(dāng)高的光耦合效率。特別是在塑料光纖的直徑一般常用1mm、感光元件直徑小于等于0.5mm的與高速通信對應(yīng)的小型光電二極管時(shí)，在提高接收效率上是相當(dāng)有效的。
另外，本發(fā)明在通信方式為通過一根光纖進(jìn)行雙向通信的單芯雙向光通信方式時(shí)，由于能將感光元件或接收光學(xué)系統(tǒng)做小，所以可和發(fā)送系統(tǒng)并列配置，從這一角度來看是有效的。
權(quán)利要求
1.一種光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括至少在一端有球形端面(11)、并從該球形端面(11)射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑小于等于0.35的光纖(1)；及具有感光元件(21)、并接收所述光纖的球形端面來的發(fā)射光的光通信模塊(2A)，所述光纖的所述一端插入所述光通信模塊內(nèi)的規(guī)定部位時(shí)，所述感光元件的感光面位于離所述光纖球形端面頂點(diǎn)的距離為d的位置，設(shè)光纖的直徑為D、球形端面曲率半徑R為r*D、纖芯的折射率為n、在所述光纖的球形端面和感光元件間存在的物質(zhì)的折射率為n1，則所述距離d為，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d≤r*D/(n-n1)的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，在D≤d≤r*D/(n-n1)的范圍內(nèi)。
2.一種光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括至少在一端有球形端面(11)、從該球形端面(11)射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑小于等于0.35的光纖(1)；及具有感光元件(21)和將從所述光纖的球形端面來的發(fā)射光引導(dǎo)到所述感光元件的接收光學(xué)系統(tǒng)(25)、并接收所述光纖的球形端面來的發(fā)射光的光通信模塊(2A)，所述光纖的所述一端插入所述光通信模塊內(nèi)的規(guī)定部位時(shí)，所述接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置位于離所述光纖球形端面頂點(diǎn)的距離為d的位置，設(shè)光纖的直徑為D、球形端面曲率半徑R為r*D、纖芯的折射率為n、在所述光纖的球形端面和接收光學(xué)系統(tǒng)間存在的物質(zhì)的折射率為n1，則所述距離d為，在接收光學(xué)系統(tǒng)大小小于等于D時(shí)，在0＜d≤r*D/(n-n1)的范圍內(nèi)，在接收光學(xué)系統(tǒng)直徑大于D時(shí)，D≤d≤r*D/(n-n1)的范圍內(nèi)。
3.一種光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括至少在一端有球形端面(11)、并從該球形端面(11)射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑為0.4～0.6的光纖(1)；及具有感光元件(21)、并接收所述光纖的球形端面來的發(fā)射光的光通信模塊(2A)，所述光纖的所述一端插入所述光通信模塊內(nèi)的規(guī)定部位時(shí)，所述感光元件的感光面位于離所述光纖球形端面頂點(diǎn)的距離為d的位置，設(shè)光纖的直徑為D，則所述距離d為，在感光元件直徑小于等于D時(shí)，在0＜d＜2D的范圍內(nèi)，在感光元件直徑大于D時(shí)，在0.5D＜d＜2D的范圍內(nèi)。
4.一種光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括至少在一端有球形端面(11)、并從該球形端面(11)射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑為0.4～0.6的光纖(1)；及具有感光元件(21)和將從所述光纖的球形端面來的發(fā)射光引導(dǎo)到所述感光元件的接收光學(xué)系統(tǒng)(25)、并接收所述光纖的球形端面來的發(fā)射光的光通信模塊(2A)，所述光纖的所述一端插入所述光通信模塊內(nèi)的規(guī)定部位時(shí)，所述接收光學(xué)系統(tǒng)的中心位置位于離所述光纖球形端面頂點(diǎn)的距離為d的位置，設(shè)光纖的直徑為D，則所述距離d為在接收光學(xué)系統(tǒng)大小小于等于D時(shí)，在0＜d＜2D的范圍內(nèi)，在接收光學(xué)系統(tǒng)大小大于D時(shí)，在0.5D＜d＜2D的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖(1)是塑料光纖。
6.如權(quán)利要求1或2所述的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述物質(zhì)為折射率n1是1的空氣。
7.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖(1)的直徑D為1mm，所述感光元件為直徑小于等于0.5mm的光電二極管。
8.如權(quán)利要求3或4所述的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖(1)的直徑D為1mm，所述接收光學(xué)系統(tǒng)的大小為小于等于0.5mm。
9.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光通信模塊(2A)在發(fā)光元件(22)和發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)(26)中至少還具有發(fā)光元件，通過所述光纖，能和對方的光通信模塊(2B)按照單芯雙向通信方式收發(fā)信號(hào)光。
全文摘要
在具有塑料光纖(1)和光通信模塊(2A)的光通信系統(tǒng)中，光纖(1)具有球形端面(11)，從球形端面(11)射出的發(fā)射光的數(shù)值孔徑小于等于0.35。光纖(1)設(shè)置在光通信模塊(2A)中，使得感光元件(21)的感光面位于離光纖球形端面(11)的頂點(diǎn)距離為d的位置。設(shè)光纖直徑為D、球形端面的曲率半徑R為r＊D、纖芯的折射率為n、在光纖的球形端面和感光元件之間存在的物質(zhì)的折射率為n1，則距離d在感光元件直徑小于等于D時(shí)，為0＜d≤r＊D/(n－n1)，在感光元件直徑大于D時(shí)，為D≤d≤r＊D/(n－n1)。通過這樣，該光通信系統(tǒng)能以簡單的構(gòu)成高效地進(jìn)行直徑大的光纖和直徑小的感光元件間的光耦合。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1685260SQ0382249
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月22日
發(fā)明者石井賴成, 巖木哲男, 田村壽宏 申請人:夏普株式會(huì)社